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A presión atmosférica , existen tres formas alotrópicas de hierro , dependiendo de la temperatura: hierro alfa (α-Fe, ferrita) , hierro gamma (γ-Fe, austenita) y hierro delta (δ-Fe). A presiones muy altas, existe una cuarta forma, el hierro épsilon (ε-Fe, hexaferrum) . Algunas evidencias experimentales controvertidas sugieren la existencia de una quinta forma de alta presión que es estable a presiones y temperaturas muy altas. [1]
Las fases del hierro a presión atmosférica son importantes debido a las diferencias en la solubilidad del carbono , formando diferentes tipos de acero . Las fases de alta presión del hierro son importantes como modelos para las partes sólidas de los núcleos planetarios. En general, se supone que el núcleo interno de la Tierra consiste esencialmente en una aleación cristalina de hierro y níquel con estructura ε. [2] [3] [4] Se cree que el núcleo externo que rodea al núcleo interno sólido está compuesto de hierro líquido mezclado con níquel y trazas de elementos más ligeros.
Por debajo de los 912 °C (1674 °F), el hierro tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (bcc) y se lo conoce como hierro α o ferrita . Es termodinámicamente estable y un metal bastante blando. El α-Fe puede someterse a presiones de hasta aproximadamente 15 GPa antes de transformarse en una forma de alta presión denominada ε-Fe, que se analiza a continuación.
Magnéticamente, el hierro α es paramagnético a altas temperaturas. Sin embargo, por debajo de su temperatura de Curie ( T C o A 2 ) de 771 °C (1044 K o 1420 °F), [5] se vuelve ferromagnético . En el pasado, la forma paramagnética del hierro α se conocía como hierro beta (β-Fe). [6] [7] Aunque la ligera distorsión tetragonal en el estado ferromagnético constituye una verdadera transición de fase, la naturaleza continua de esta transición resulta en solo una importancia menor en el tratamiento térmico del acero . La línea A 2 forma el límite entre los campos de hierro beta y alfa en el diagrama de fases de la Figura 1.
De manera similar, el límite A 2 tiene solo una importancia menor en comparación con las temperaturas críticas A 1 ( eutectoide ), A 3 y A cm . El A cm , donde la austenita está en equilibrio con cementita + γ-Fe, está más allá del borde derecho en la Fig. 1. El campo de fase α + γ es, técnicamente, el campo β + γ por encima de A 2. La designación beta mantiene la continuidad de la progresión de letras griegas de las fases en hierro y acero: α-Fe, β-Fe, austenita (γ-Fe), δ-Fe de alta temperatura y hexaferrum de alta presión (ε-Fe).
La fase primaria del acero con bajo contenido de carbono o dulce y la mayoría de los hierros fundidos a temperatura ambiente es α-Fe ferromagnético . [8] [9] Tiene una dureza de aproximadamente 80 Brinell . [10] [11] La solubilidad máxima del carbono es de aproximadamente 0,02 % en peso a 727 °C (1341 °F) y 0,001 % a 0 °C (32 °F). [12] Cuando se disuelve en hierro, los átomos de carbono ocupan "agujeros" intersticiales. Al ser aproximadamente el doble del diámetro del agujero tetraédrico , el carbono introduce un fuerte campo de deformación local.
El acero dulce (acero al carbono con hasta aproximadamente un 0,2 % en peso de C) se compone principalmente de α-Fe y cantidades crecientes de cementita (Fe 3 C, un carburo de hierro). La mezcla adopta una estructura laminar llamada perlita . Dado que la bainita y la perlita contienen α-Fe como componente, cualquier aleación de hierro y carbono contendrá cierta cantidad de α-Fe si se le permite alcanzar el equilibrio a temperatura ambiente. La cantidad de α-Fe depende del proceso de enfriamiento.
El β-Fe y la temperatura crítica A 2 son importantes en el calentamiento por inducción del acero, como por ejemplo para tratamientos térmicos de endurecimiento de superficies. El acero se austeniza típicamente a 900–1000 °C antes de ser templado y revenido . El campo magnético alterno de alta frecuencia del calentamiento por inducción calienta el acero por dos mecanismos por debajo de la temperatura de Curie: calentamiento por resistencia o Joule y pérdidas por histéresis ferromagnética . Por encima del límite A 2 , el mecanismo de histéresis desaparece y la cantidad requerida de energía por grado de aumento de temperatura es, por lo tanto, sustancialmente mayor que por debajo de A 2 . Es posible que se necesiten circuitos de adaptación de carga para variar la impedancia en la fuente de energía de inducción para compensar el cambio. [13]
Al calentar el hierro a temperaturas superiores a los 912 °C (1674 °F), su estructura cristalina cambia a una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (fcc). En esta forma se denomina hierro gamma (γ-Fe) o austenita . El hierro gamma puede disolver considerablemente más carbono (hasta un 2,04 % en masa a 1146 °C). Esta forma γ de saturación de carbono se presenta en el acero inoxidable austenítico .
Curiosamente, por encima de los 1394 °C (2541 °F), el hierro vuelve a adoptar la estructura bcc, conocida como δ-Fe. [14] El δ-hierro puede disolver hasta un 0,08 % de carbono en masa a 1475 °C. Es estable hasta su punto de fusión de 1538 °C (2800 °F). El δ-Fe no puede existir por encima de los 5,2 GPa, y la austenita, en cambio, pasa directamente a una fase fundida a estas altas presiones. [15]
A presiones superiores a aproximadamente 10-13 GPa y temperaturas de hasta alrededor de 700 K, el hierro α cambia a una estructura compacta hexagonal (hcp), que también se conoce como hierro ε o hexaferrum; [16] la fase γ de temperatura más alta también cambia a hierro ε, pero generalmente requiere presiones mucho más altas a medida que aumenta la temperatura. El punto triple del hexaferrum, la ferrita y la austenita es de 10,5 GPa a 750 K. [15] Se ha observado antiferromagnetismo en aleaciones de épsilon-Fe con Mn, Os y Ru. [17]
Una forma estable alternativa, si existe, puede aparecer a presiones de al menos 50 GPa y temperaturas de al menos 1.500 K; se ha pensado que tiene una estructura ortorrómbica o doble hcp. [1] A diciembre de 2011 , se están realizando experimentos recientes y en curso sobre alótropos de carbono superdensos[actualizar] y de alta presión .
El punto de fusión del hierro está bien definido experimentalmente para presiones inferiores a 50 GPa.
Para presiones mayores, los datos publicados (hasta 2007) sitúan el punto triple del γ-ε-líquido a presiones que difieren en decenas de gigapascales y 1000 K en el punto de fusión. En términos generales, las simulaciones informáticas de dinámica molecular de la fusión del hierro y los experimentos de ondas de choque sugieren puntos de fusión más altos y una pendiente mucho más pronunciada de la curva de fusión que los experimentos estáticos realizados en celdas de yunque de diamante . [18]
Los puntos de fusión y ebullición del hierro, junto con su entalpía de atomización , son inferiores a los de los elementos del grupo 3d anteriores, desde el escandio hasta el cromo , lo que muestra la menor contribución de los electrones 3d a la unión metálica a medida que son atraídos cada vez más hacia el núcleo inerte por el núcleo ; [19] sin embargo, son más altos que los valores para el elemento anterior, el manganeso, porque ese elemento tiene una subcapa 3d medio llena y, en consecuencia, sus electrones d no se deslocalizan fácilmente . Esta misma tendencia aparece para el rutenio, pero no para el osmio . [20]
Las temperaturas exactas a las que el hierro pasará de una estructura cristalina a otra dependen de la cantidad y el tipo de otros elementos que se disuelven en el hierro. El límite de fase entre las diferentes fases sólidas se dibuja en un diagrama de fase binario , que normalmente se representa como temperatura frente a porcentaje de hierro. La adición de algunos elementos, como el cromo , reduce el rango de temperatura de la fase gamma, mientras que otros aumentan el rango de temperatura de la fase gamma. En los elementos que reducen el rango de la fase gamma, el límite de la fase alfa-gamma se conecta con el límite de la fase gamma-delta, formando lo que normalmente se denomina bucle gamma . La adición de aditivos de bucle gamma mantiene el hierro en una estructura cúbica centrada en el cuerpo y evita que el acero sufra una transición de fase a otros estados sólidos. [21]